CMOS功率运放输出级电路的原理图分析及详解

信息来源: 时间:2021-1-30

CMOS功率运放输出级电路的原理图分析及详解

前面介绍的CMOS运放,大都采用共源输出级电路,因而输出阻抗较高,且驱动力也较差。CMOS功率输出级电路。本节将讨论输出阻抗低,能驱动大容负载(包括低阻值的电阻负载)、静态功耗小的CMOS功运放,CMOS功率运放的设计包括两部分,即前置放大和输出级,而前置放大器的设计同前面讨论的各类CMOS运放的设计没有什么区别,因此本节主要讨论CMOS功率运放输出级电路的设计方法。

1、CMOS输出级电路原理

图3.7-1是CMOS功率运放输出级电路的原理图,A1放大器与共源放大器M1构成全负反馈放大器;同样,A2放大器与共源放大器M2也构成全负反馈放大器,即构成电压跟随器,所以它的电压增益为image.png且具有低的输出阻抗。CMOS功率输出级电路。图3.7-1电路主要缺点是由于A1和A2的失调电压使驱动电路M1和M2的静态工作电流很难确定。

在图3.7-1电路的基础上,给出实用的CMOS功率运放输出级电路,其原理图如图3.7-2所示。

CMOS功率输出级电路

图中的放大器A作为输出级电路的前置放大器,Cc为前置放大器的补偿电容。输入信号经输入级A放大器放大以后加到image.png的栅极,其源极得到较大幅度的信号。正半周信号经放大器image.png之后送到输出端,由于image.png构成负反馈回路,A1负输入端的信号幅值与A1正输入端的信号(输出信号)幅值相同,即构成增益为1的负反馈放大器。CMOS功率输出级电路。负半周信号经放大器image.png之后送到输出端,image.png构成负反馈回路,增益也为1。因此,输出级是增益为1的负反馈放大器,正因为深度负反馈,所以工作点稳定且具有低的输出阻抗。M18和M17的漏极信号电压处于正半周时,A1驱动M6,向负载提供电流,此时image.png处于小电流或截止状态;当M18和M17的漏极信号电压处于负半周时,A2驱动image.png,从负载吸入电流,此时image.png处于小电流或截止状态,因而图3.7-2输出级电路是甲、乙类推挽式放大器。

图中的image.png,可使输出管image.png的静态电流保持平衡,并具有确定的值。假如由于A1放大器的失调电压使M6管的静态电流增大,由于M6管电流增大,使image.png管电流也增大,通过image.pngimage.png电流增大,其VGS电压也增大,由于输出电压处于定值(零伏),这祥在放大器A2的正输入端得到负电压,其输出端电压变负即驱动image.png栅极电压减小,使image.png电流减小。

由图及上面讨论可知,A1与A2的失调可由源跟随器image.png的VGS的变化量来消除,以保证image.png在静态条件下其工作电流具有额定值。

正向输出增益为1的负反馈放大电路A1如图3.7-3所示。

CMOS功率输出级电路

由M1~M5构成差分放大器,它与共源放大器image.png组成增益为1的负反馈放大器,图中的Cc和MPC管组成放大器的频率补偿,该电路具有大的正向共模输入电压范围。CMOS功率输出级电路。当输入电压为正向电压时,image.png管的VGS电压加大,使输出电流增大。为了尽可能增大输出电流,除了提高M6管的跨导image.png外应提高VGS的最大值image.png。在image.png条件下,M1、M2应仍工作在饱和区。

由图可得

CMOS功率输出级电路

CMOS功率输出级电路

所以

CMOS功率输出级电路

由(3.7-3)式可知,增大image.png,应增大M1,M2管阈值电压image.png加大阈值电压除了在工艺上保证外,将M1和M2的衬底接在负电源Vss上,即利用衬底偏置效应使阈值电压image.png。加大image.png,并且image.png增大VT也随之加大,这样,保证了随着输入信号image.png增大,image.png管的VGS,电压也随之加大,增大了输出电流,其最大输出电流决定于image.png的跨导image.png

关于负向输出电路A2的结构可参看图3.7-4,其工作原理与正向输出电路相同,这里不再赘述。

2、CMOS功率运放输出级实际电路

根据图3.7-2原理图,设计出CMOS功率运放输出级电路图如图3.7-4所示。图中image.pngimage.png构成A1放大器,image.png构成A2放大器,image.png为运放的输出级电路,image.png分别为A1和A2的频率补偿电容。CMOS功率输出级电路。现对图中MOS管image.png的作用作些说明,当很大的负向电压加到M1管的栅极时,使M5管的漏源电压为零,差分放大器M1和M2无电流流过,若无image.png出管,则image.png管的栅极电位是浮置的,即不确定,这样image.png管可能不处于截止状态;当加image.png管后,使image.png管的栅极电位等于电源电压Vcc,保证image.png管处于良好截止状态。

同样image.png的作用是,image.png的栅极为很大的正向电压时,image.png的栅极电位为Vss,从而使image.png管处于良好的裁止状态。

image.png

图3.7-4电路还具有限流性能,若image.png过流,MP1电流加大,经image.png,使image.png的栅极电压上升,从而减小流过image.png的电流,起了限流作用。image.png的最大电流限制在60毫安左右。

最后,对图3.7-4电路的频率响应作些说明。为简单起见,只讨论A1放大器与M6构成的正向放大器在开环条件下所产生的零极点。其交流等效电路如图。3.7-5所示。

CMOS功率输出级电路

图中image.png是输入差分放大器的跨导,image.pngimage.png的跨导,R1、C1分别是输入差分放大器的输出阻抗和输出电容,R1、C1分别是输出端的负载电阻和负载图电容,Rc、Cc是频率补偿元件。经计算(可参阅文献[16]),其零点、极点额率为

image.png

以上各式中P1是低频极点(即主板点),P2、P3为高频极点,image.png管的输出电导,Z为零点。CMOS功率输出级电路。只要适当选择零点,可消去由于极点所产生的相移,使电路在闭环错况下保持稳定。

这电路的主要参数和器件尺寸、电容值分别列于表3.7-1和表3.7-2。

CMOS功率输出级电路

CMOS功率输出级电路

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